JP2014522740A - 脆性材料を機械加工するための研削工具及び研削工具を作製する方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、脆性材料を機械加工するための研削工具１に関する。研削工具１は、コア２及び研磨リム４を有する。研磨リム４は、マトリックス６に埋め込まれた研磨材粒子５を含む。マトリックス６は、金属結合剤と、場合によってはポリマー結合剤とを含む。金属結合剤は、金属結合剤の０．０２容量％〜５．０容量％を構成する量で、窒化ケイ素を含有する。本発明はまた、研削工具を製造する方法に関する。その方法において、研磨材粒子は、金属粉末及び窒化ケイ素と混合され、混合物は、焼結される。ポリマー粉末もまた、焼結前に添加され得る。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明
［発明の分野］
本発明は、研削工具、具体的には、タングステンカーバイド等の硬質及び／又は脆性材料を研削するための研削工具に関する。研削工具は、特に、研削ホイールであってもよい。本発明はまた、かかる研削工具を作製する方法に関する。
［発明の背景］
研削ホイール等の研削工具は、脆性材料を機械加工するために使用される。かかる研削工具が使用される一分野は、硬質金属（タングステンカーバイド）から作られる工具の機械加工である。例えば、研削工具は、ドリル又は粉砕工具が研削によって形成される、機械加のために使用され得る。形成される工作物がタングステンカーバイド等の硬質材料から作られる場合、研磨工具は、非常に硬質な材料の研磨材粒子を有さなければならない。実際に、これは通常、研磨材粒子がダイヤモンド粒子又は立方晶窒化ホウ素の粒子であることを意味する。この目的でのダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素の粒子は市販されており、標準的な成分と見なされ得る。この目的でのダイヤモンドは典型的に、５０μｍの平均又は平均粒径（当然、粒径は様々である）を有してもよく、タングステンカーバイド等の硬質材料を切断することができる複数の鋭い刃を有してもよい。
この目的での既知の種類の研削工具は、例えば、鋼又はアルミニウム等の金属材料から作られ得るコアを有する研削ホイールである。コアはまた、ポリマー材料等の非金属材料から作られてもよい。コアは、ディスク型金属コアの軸の周囲の回転のために工具スピンドル上に載置され得る、ディスクとして形成され得る。研磨リムがコアを包囲し、コアに接合される。研磨リムは、１つ以上の結合剤を有するマトリックスに埋め込まれた研磨材粒子を含んでもよい。研磨リムに使用される材料は通常、コアの材料よりも高価である。このため、研磨リムは、コアよりも半径方向に小さい伸長を有する（すなわち、研磨リムは通常、より高価であるため、研削ホイールのより小さい一部である）。
研削中、研磨リムは徐々に摩滅し、使い果たされ、研削ホイールはもはや使用することができなくなる。
研削ホイールの研磨リムのための既知の結合剤としては、例えば、ベークライト等のポリマー結合剤が挙げられる。あるいは、結合剤は、セラミック結合剤であってもよい。また、金属結合剤、特に、焼結によって作製された青銅の結合剤を使用することも既知である。かかる焼結動作において、銅及び錫を含有する金属粉末は、ダイヤモンド粒子又は立方晶窒化ホウ素の粒子としての研磨粒子と共に焼結される。時に、青銅が銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、及び銀（Ａｇ）を含有するように、銀が添加され得る。過去に、実際的経験は、Ｃｕ／Ｓｎ／Ａｇ合金が、研磨剤のための結合剤として良好に機能すること、及びかかる結合剤が研削中に良好に機能することを示した。この正確な理由は完全に理解されていないが、銀の添加によってもたらされた熱伝導率の改善が、銀を含む合金が研磨剤のための結合剤としてなぜ良好に機能するのかを説明し得ると、本発明者らによって考えられている。しかしながら、銀は高価であり、費用を削減するために他の青銅合金が使用され得、本発明は、銀なしでの青銅合金にも適用できる。
この目的での他の既知の青銅組成物としては、銅／錫／コバルト（Ｃｕ／Ｓｎ／Ｃｏ）及び銅／錫／ニッケル（Ｃｕ／Ｓｎ／Ｎｉ）が挙げられる。また、この目的での青銅組成物は、銅／錫／チタン（Ｃｕ／Ｓｎ／Ｔｉ）を含んでもよいことが示唆されている。
更に別の既知のシステムとしては、ポリマー及び金属結合剤の混成物が挙げられ、金属粉末は、ポリマー材料と共に焼結され、ポリマー結合剤及び金属結合剤（典型的には上記のような青銅合金）が顕微鏡レベルで互いと密接に絡み合うマトリックスが形成される。かかる混成物において、金属結合剤及びポリマー結合剤のそれぞれは、網を形成し、結合剤の個々の網は、互いに貫通する。金属結合剤及びポリマー結合剤の両方を含むような混成物マトリックスは、例えば、米国特許第６０６３１４８号に開示される。
金属及びポリマー結合剤に加えて、かかる混成物は通常、１つ又はいくつかの充填剤を含む。１つのかかる充填剤は、その潤滑特性のために使用されるグラファイトであってもよい。
使用される研磨材粒子は、異なる特性を有してもよい。例えば、ダイヤモンドの脆性は、研削工具が使用される目的に応じて異なり得る。異なるダイヤモンドの特性は、異なる結合剤（又は結合剤の混成物）の特性に見合うように整合されてもよい。
良好な研削工具において、研磨材粒子は、研削工具が所望に応じて機能するような方法で、そのマトリックス中で結合されるべきである。研削工具が、長期間にわたって使用され得るように、良好な耐摩耗性を有することが望ましい。しかしながら、良好な耐摩耗性は、唯一の所望の特性ではなく、最高の耐摩耗性を有する研削工具が必ずしも最良の選択ではない。他の所望の特性としては、低いエネルギー消費（すなわち、研削工具を駆動するために必要とされる電力が過度に高くない）、及び一定の又は少なくとも予測可能な性能特性が挙げられる。研磨リムの研削効果が経時的に変化しすぎる場合、これは問題を引き起こす。これは特に、研削工具の性能が予測不可能である方法で変化する場合に当てはまる。
所与の状況下での研削工具の摩耗の程度は、非常に高い程度まで、研磨材粒子が埋め込まれたマトリックスの特性によって決まる。したがって、マトリックスの組成物は重要である。
研削工具が工作物を機械加工するために使用されるとき、研磨材粒子上の鋭い角及びエッジが工作物に作用する。それにより、力がマトリックスに埋め込まれた研磨材粒子に与えられる。研削中、研磨材粒子は損傷を受ける。徐々に、小片が研磨材粒子から緩んで壊れ、研磨材粒子が徐々にすり減る。研磨リムの一領域の研磨材粒子が完全にすり減ったとき、工作物は、マトリックスと直接接触する。マトリックスそれ自体は、工作物ほど硬質ではなく、それはすばやくすり減る。結果として、新鮮な研磨材粒子が研磨リムの表面に現れ、工作物に作用し始めることができる。
しかしながら、研磨材粒子を保持するマトリックスが弱すぎる場合、研磨材粒子は、それらがすり減る前にマトリックスから引き剥がされる可能性がある。研磨リムの表面の一部でこれが起こるとき、工作物は比較的脆性のマトリックスと直接接触し、マトリックスを早くにすり減らす。これが起こるとき、電力消費は、マトリックスのほとんどがすり減り、新鮮な研磨材粒子が表面に現れるまで、一時的に減少する。結果として、研削工具の研磨リムは、そうでない場合よりも早くに摩滅する。研削工具の動作が予めプログラムされた場合、研削工具が、ここでは不正確である工具の直径の仮定に基づき動作するように設定されているため、その結果は、研削動作が適切に機能しないというものである可能性がある。この問題は、予測することが困難である方法で研磨リムが摩滅する場合、例えば、摩耗が不規則な間隔で起こる突然の段階で生じる場合、更に深刻になる。
また、研削動作のために必要とされる電力は、研削中のエネルギー消費が最小限に抑えられ得るように、低く保持され得ることが望ましい。
研削工具の別の所望の特性は、高いＧ比である。Ｇ比は、工作物から研削工具によって除去される材料の体積と、研削工具によって失われる体積（工具の摩耗）との間の比を表す。良好な研削工具は、高いＧ比を有する。
したがって、良好な耐摩耗性を有する研削工具を提供することが本発明の目的である。本発明の更なる目的は、低い電力条件及び高いＧ比を有する、規則的かつ予測可能な方法で摩滅する工具を提供することである。これらの目的は、以下に説明される本発明の手段によって達成される。
［発明の概要］
本発明は研削工具に関する。研削工具は特に、タングステンカーバイド等、硬質及び／又は脆性材料を機械加工するための研削工具であることを目的とするが、本発明の研削工具はまた、他の材料を研削するためにも使用され得る。研削工具は、コア及び研磨リムを備える。研磨リムは、マトリックスに埋め込まれた研磨材粒子を含み、マトリックスは、焼結青銅合金である金属結合剤を含む。金属結合剤は、マトリックスの５０容量％〜１００容量％を構成する。本発明に従って、金属結合剤は、金属結合剤の０．０２容量％〜５．０容量％、及び任意に金属結合剤の０．１容量％〜５．０容量％を構成する量で、窒化ケイ素を含有する。
本発明の実施形態では、マトリックスは更に任意に、ポリマー結合剤及び金属結合剤が接続網を形成するように、金属結合剤と共に焼結されたポリマー結合剤を含んでもよい。
本発明の実施形態では、窒化ケイ素は、金属結合剤の０．３容量％〜５．０容量％を構成する。例えば、それは、金属結合剤の０．５容量％〜５．０容量％、金属結合剤の１．０容量％〜５．０容量％、又は０．５容量％〜３．０容量％、又は０．５容量％〜２．０容量％を構成してもよい。
窒化ケイ素は、好ましくは１０μｍ未満であるが、好ましくは０．１μｍ超でもある平均粒径を有する粒子の形状で存在してもよい。かかる粒子は、１２５０ Ｔｙｌｅｒメッシュの粒子であってもよい。したがって、粒子は、平均粒径がより小さいが、最大で１０μｍの粒子を含んでもよい。
ポリマー結合剤がマトリックスの一部であるとき、ポリマー結合剤は、ポリイミドを含んでもよく、又はポリイミドから完全若しくはほぼ完全に作られてもよい。
マトリックスは任意に更に、グラファイト等の充填剤材料を含んでもよい。グラファイトは、研削中に所望であり得る潤滑特性を有する。
金属結合剤は好ましくは、銅、錫、及び銀を含む青銅合金である。
研磨材粒子は、例えば、ダイヤモンド粒子又は立方晶窒化ホウ素粒子であってもよい。ダイヤモンド及び立方晶窒化ホウ素の両方に対して、研磨材粒子は、４μｍ〜１８１μｍの範囲の平均粒径を有してもよい。多くの現実的な実施形態では、研磨材粒子は、４６μｍ〜９１μｍの範囲の粒径を有してもよい。本発明の実施形態では、研磨材粒子は、銅又はニッケルのコーティングを有してもよい。
本発明はまた、本発明の研削工具を作製する方法に関する。方法は、焼結が、研磨材粒子が埋め込まれたマトリックスをもたらすように、研磨材粒子を金属粉末と共に焼結する工程を含む。それにより、マトリックスは、金属結合剤を含む。金属粉末は、金属結合剤が焼結青銅合金になるように、銅及び錫を含む。本発明に従って、焼結前に、かつ窒化ケイ素が金属結合剤の０．０２容量％〜５．０容量％、及び好ましくは金属結合剤の０．１容量％〜５．０容量％を構成する程度まで、粉末の形態の窒化ケイ素が金属粉末に添加される。
本発明の方法の実施形態では、金属粉末は更に銀を含んでもよい。
金属結合剤中の窒化ケイ素の相対的割合が言及されるとき、これは、製造プロセス中に使用される粉末の体積の割合を指すことが理解されるべきである。換言すれば、製造の方法は、焼結前に添加される粉末中、窒化ケイ素が金属結合剤の０．０２容量％〜５．０容量％を構成するような方法である（窒化ケイ素は、金属結合剤の一部と見なされる）。シリコンカーバイド粒子は、焼結後も全体積の同一の相対的割合を保持することが想定される。
マトリックスの一部であるポリマー結合剤もまた形成されるように、任意に、焼結前に、好ましくはポリイミド粉末の形態でポリマーが金属粉末に添加される。
その方法は、マトリックスの結合剤のための粉末材料が混合物を形成するように研磨材粒子と混合されるような方法で実施され得る。次いで、混合物は、コールドプレスで圧縮される。次いで、圧縮混合物は、１２０〜１５０分間にわたって、３８０℃〜５２０℃、好ましくは４００℃〜５００℃の範囲の温度で、キルンで硬化される。その後、圧縮及び硬化混合物は、プレス機に配置され、１５００〜２０００ｋｇ／ｃｍ２（１４７．１〜１９６．１ＭＰａ）の圧力に供される。次いで、混合物が３００℃未満の温度に達するまで、圧力は保持される。
任意に、焼結動作前に、充填剤材料が金属粉末及び研磨材粒子の混合物に添加される。充填剤材料は任意にグラファイトを含んでもよい。
本発明の研削工具のマトリックスは有利に、混成物であるマトリックス、すなわち、金属結合剤及びポリマー結合剤の両方を有するマトリックスであってもよく、混成物結合溶液は、ポリマー結合剤の最良の特性と金属結合剤の最良の特性を組み合わせることができる。研ぎ工具による研ぎ直しが必要とされる場合、混成物マトリックスを有する研削工具は、純金属マトリックスよりも容易に研ぎ直しされ得る。同時に、混成物マトリックスを有する研削工具は、ポリマー結合剤のみを使用するマトリックスよりも良好な耐摩耗性を有する。
研削工具の概略図である。 研削工具の研磨リムに埋め込まれた研磨材粒子の概略断面図である。 工作物に作用する研削工具の概略断面図である。 ２つの異なる研削工具に対する電力消費を表す図である。 本発明の研削工具の第１の実施形態の概略断面図である。 本発明の研削工具の第２の実施形態の概略断面図である。 窒化ケイ素含有量との関係として研削工具の摩耗を示す図である。 窒化ケイ素含有量との関係として研削工具のＧ比を示す図である。
［発明の詳細な説明］
図１を参照して、研削工具１が示される。研削工具は特に、タングステンカーバイド等、硬質及び／又は脆性材料を機械加工することを目的とする研削ホイールであってもよい。かかる材料は、例えば、ドリル又は粉砕工具等の工具のための工作物中に存在してもよく、本発明の研削工具１は、かかる工具を形成するために使用される研削ホイールであってもよい。研削工具１は、コア２及び研磨リム４を備える。コア２は、鋼又は何らかの他の金属等のあまり高価ではない材料から作られてもよい。あるいは、コアは、例えば、ポリマー材料から作られ得る。コアはまた、２つ以上の材料を含み得る。例えば、それは、鋼又はアルミニウム等の金属によって部分的に作られ得、部分的にポリマー材料であり得る。コア２は、研削工具１が回転運動のためにスピンドル（図示せず）上に載置されてもよいように、貫通孔又は空洞３が備えられてもよい。図２を参照すると、研磨リム４は、マトリックス６に埋め込まれた研磨材粒子５を含む。次に、マトリックス６は、焼結青銅合金である金属結合剤を含む。金属結合剤は、マトリックス６の５０容量％〜１００容量％を構成し、したがって、マトリックス６全体が金属結合剤で構成されている実施形態が考えられる。しかしながら、マトリックス６は通常、少なくとも何らかの他の成分を含む。例えば、それは、潤滑特性を有するグラファイト等の充填剤を含んでもよい。ほとんどの実施形態では、マトリックス６はまた、ポリイミドによって形成されてもよいポリマー結合剤も含む。
マトリックス６が研磨材粒子５を良好に保持する場合、研磨材粒子５は、小断片を放出し、徐々にすり減る。結果として、研磨リム４の摩耗は比較的ゆっくりであり、研削工具１の直径は、より長い期間にわたって実質的に一定に保たれ得る。更に、研磨リム４の摩耗は、規則正しいペースで保たれ、動作中の電力は、あまり変化しない。
代わりに、マトリックス６が研磨材粒子５をしっかりと保持することができない場合、研磨材粒子が断片化するかなり前にそれらが緩むということが起こり得る。結果として、それらは、それらの完全な研磨能力が使用される前に失われる。研磨工具１は、より速く摩滅し、研削工具（研削ホイール等）の直径は、より速く減少する。研削工具１のより小さい直径は、工作物の精度の低い機械加工をもたらし得る。
図３を参照すると、研削工具１は、工作物７に作用する。工作物７は、例えば、ドリルに成形される工作物であってもよい。研削工具１は、例えば、スピンドル（図示せず）によって作用する電源を用いて回転させられる。それにより、研削工具の研磨リム４は、工作物７に作用し、工作物中に溝を彫る。図３中、工作物は、研削工具１の作用によって決定されるコア直径ＣＤを有する。研削工具１がその直径が減少するようにすり減った場合、コア直径ＣＤは、摩耗が補正（例えば、工作物７に対する研削工具１の再配置）されない限り、大きくなる。したがって、摩耗が低く保持され得ること、及び生じる摩耗が急に予測不可能に増加しないことが非常に望ましい。
研磨材粒子５が適切に１つ１つ断片化されるとき、これが、研削工具１の快削特性、すなわち、研削工具がそれ自体を研ぎ直しする能力にとって好ましいことが付け加えられ得る。研磨材粒子５が少しずつ断片化するとき、マトリックス６の摩耗は円滑に生じることができ、研磨リム４の表面は、そう容易には詰まらない。代わりに、研磨材粒子が適切に断片化する前に急に引き剥がされる場合、これは、表面の詰まりの増加を引き起こす傾向があり、研磨リム４の表面は、工作物７からの小粒子５によって大いに詰まる可能性がある。これは、研削工具１が研ぎ直しされ得るように、動作からの研削工具１の一時的な取り外しを余儀なくさせ得る。研磨材粒子５が徐々に断片化する場合、かかる詰まりのリスクはより小さい。研磨材粒子が完全に摩滅したとき、新しい研磨材粒子５がより円滑なプロセスで表面に現れ得、それ自体が、研削工具（又はむしろ研削工具１の研磨リム４）の研ぎ直しに寄与する。
研磨材粒子が完全に断片化する前に研磨リムから引き剥がされるとき、これは、それ自体を研削工具の電力消費に示す傾向があり、電力は急に低下し、次いで、しばらくすると再び上昇し始める。研磨材粒子がなるべきように断片化することができるように、それらがマトリックスによって適切に保持される場合、これもまた、電力消費で認められ得る。そのような場合、電力は、経時的に比較的一定のままである傾向がある（しかしながら、通常、最初の工作物に必要とされる電力がより少なくなるように、第１の工作物からの電力条件の段階的な増加が常にあることに留意されたい）。
Ｅ．Ｄ．Ｋｉｚｉｋｏｖ ａｎｄ Ｐ．Ｋｅｂｋｏ（「Ｍｉｃｒｏａｄｄｉｔｉｏｎｓ ｔｏ ａｌｌｏｙｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ」，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｈａｒｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｋｒａｉｎｉａｎ ＳＳＲ，Ｋｉｅｖ，ｉｎ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｍｅｔａｌｌｏｖｅｄｅｎｉｅ Ｉ Ｔｅｒｍｉｃｈｅｓｋａｙａ Ｏｂｒａｂｏｔｋａ Ｍｅｔａｌｌｏｖ，Ｎｏ．１，ｐｐ ５０〜５３（１９８７年１月））による記事において、Ｃｕ／Ｓｎ／Ｔｉの合金が、０．０１％窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で補強される、ダイヤモンド研磨工具のためのバインダーとして使用されることが示唆されている。その記事の著者らによると、この添加は、改善された降伏強度をもたらした。
本発明の発明者らは、マトリックスが研磨材粒子を保持する能力を改善するために何の工程が取られ得るのかを考慮した。理論に束縛されるものではないが、本発明者らは、金属結合剤がその中に埋め込まれた研磨材粒子を放出する１つの理由が、金属結合剤内の転位が金属結合剤を弱めることである可能性があると考える。この理論が正しいと仮定して、本発明者らは最初に、金属結合剤中の転位を阻止する粒子で、マトリックスを補強することによって、それを改善することが可能であるはずだと推測した。
続いて、本発明者らは、金属結合剤を焼結するために使用した金属粉末への異なる添加を試した。試された１つ添加剤は、酸化アルミニウムであり、それを金属結合剤の１．０容量％に対応する程度で添加した。これは、ある特定の改善をもたらしたが、改善は本発明者らが期待するほど良好ではなかった。本発明者らはまた、０．０１容量％の窒化ケイ素の添加を試した。その添加の改善は、酸化アルミニウムによって達成される改善よりも更に低かった。
本発明者らは次いで、窒化ケイ素の量の増加が、より良好な結果をもたらすかどうかを調査した。これは、本発明者らによって実施される試験で確認された。金属結合剤の０．０１容量％よりも有意に大きい量で窒化ケイ素を添加したとき、非常に実質的な改善が得られたことがわかった。
例えば、本発明者らは、金属結合剤が１．０容量％の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含有する組成物を試験した。次いで、この組成物を有する研削工具を、混成物マトリックスを使用した、かつ窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含有しない標準的な研削工具と比較した。研削工具は、研磨リム４がコア２の周囲のリングとして形成された、両方の研削ホイールであった。比較条件下で、標準的な工具の直径は、１３６μｍすり減り、一方で、実験組成物を有する研削工具の直径は、５８μｍのみすり減った。１．０％の窒化ケイ素を有する工具のＧ比は、２３３５であった。比較すると、０．０１容量％の窒化ケイ素を使用した工具は、９４μｍすり減り、一方で、１．０容量％の酸化アルミニウムを使用した工具は、８４μｍすり減った。
窒化ケイ素が金属結合剤の５容量％を構成した組成物で、試験を行った。耐摩耗性はなおも良好であったが、１．０容量％の窒化ケイ素を有する研削工具に対してはそれほど良好ではなかった。更に、５．０％の窒化ケイ素を有する工具は、より高い電力消費を有した。Ｇ比は良好であったが、１．０容量％及び０．１容量％を有する工具に対してはそれほど良好ではなかった。
本発明者らはまた、試験された他の工具と同様の形状及び組成物を有するが、窒化ケイ素が金属結合剤の０．１容量％を構成した研削ホイールを試験した。試験された他の工具と同様の試験条件下で、０．１容量％の窒化ケイ素を有する工具の摩耗は、６２μｍであり、Ｇ比は、２０８４であったことがわかった。これは、１容量％で得られた結果よりも劣っていたが、それでもなお、標準的な研削工具と比較して非常に実質的な改善であった。
本発明者らはまた、金属結合剤の０．０２容量％の窒化ケイ素含有量を有するが、そうでなければ試験された他の研削ホイールと同様であった、研削ホイールも試験した。同様の試験条件下で、０．０２容量％の窒化ケイ素を有する研削ホイールは、５８μｍの摩耗（直径減少）及び２２８３のＧ比を有した。したがって、結果は、０．１容量％の比で得られた結果よりもわずかに良好であった。
結果は、有意に良好な結果が、０．０２容量％〜５．０容量％の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の範囲で得られるという結論に達する。この範囲内で、Ｇ比及び耐摩耗性の両方が、０％又は０．０１％よりも有意に良好であることが分かった。
耐摩耗性試験及びＧ比試験を、０容量％、０．０１容量％、０．０２容量％、１．０容量％、及び５．０容量％の窒化ケイ素で実施した。
試験された工具は、実質的に図５に示される種類の研削ホイール、すなわち、コア２を包囲する研磨リム４を有する研削工具であり、研削工具１は、動作中に軸Ａの周囲を回転する。窒化ケイ素含有量との関係としての耐摩耗性が、図７で見られる。耐摩耗性は、図７中で直径減少として表される。図７で見られるように、耐摩耗性は、窒化ケイ素の含有量が０．０１％〜０．０２％に増加したとき、有意に増加した。耐摩耗性は、最大で金属結合剤の５．０容量％の窒化ケイ素含有量まで高くなり続けた。しかしながら、５．０容量％の窒化ケイ素で、耐摩耗性は、０．０２％〜１．０％の含有量で観察された耐性と比較してやや低かった。したがって、本発明者らは、最良の耐摩耗性が、０．０２容量％〜５．０容量％の範囲で得られると結論付けた。
窒化ケイ素含有量との関係としてのＧ比が、図８で見られる。図で見られるように、最良の値は、０．０２％〜５．０％の範囲の窒化ケイ素含有量で得られる。図８から、Ｇ比が図の右側に向かって下降しているが、５．０容量％におけるＧ比がなおも良好であることが導き出され得る。
したがって、本発明者らは、金属結合剤が、金属結合剤の０．０２容量％〜５．０容量％を構成する量で、窒化ケイ素を含有し得ると結論付けた。電力消費が５．０容量％でより高いため、本発明者らは、５．０容量％を下回る値が、良好な耐摩耗性を有するが、５容量％の窒化ケイ素含有量を有する工具と比較して、より低い電力消費を有すると結論付けた。したがって、好ましい範囲は、金属結合剤の０．０２容量％〜３．０容量％、０．５容量％〜３．０容量％、０．５容量％〜２．０容量％、又は１．０容量％〜２．０容量％であり得る。
０．１容量％で、電力消費は、０．０２容量％よりも概して低かった。５．０容量％の窒化ケイ素で、電力消費は、０．０２容量％の含有量よりも高かったが、５．０容量％での電力消費は、更に高く、電力消費は、０．０２容量％よりも予測可能であった。
窒化ケイ素粒子は、好ましくは、最大で１０μｍ（１２５０ Ｔｙｌｅｒメッシュ）の粒径を有するべきである。篩にかけられた粒子に対して、これは通常、平均粒径が１０μｍ未満であることを意味する。次いで、窒化ケイ素粒子の平均粒径（Ｄ５０）は、２μｍ〜３μｍであってもよい（どのように平均粒径が測定されるかに応じて）。窒化ケイ素粒子の比表面積は有利に、５ｍ２／ｇ〜６ｍ２／ｇの範囲であってもよい。使用される粒子が小さすぎる場合、これは、製造中の詰まり及び問題を引き起こし得る。更に、金属結合剤に最適化された強度を与えるために、最大で１０μｍの粒子が、好ましくは含まれるべきであると、本発明者らによって考えられている。
通常、マトリックス６は更に、ポリマー結合剤及び金属結合剤が接続網を形成するように、金属結合剤と共に焼結されたポリマー結合剤を含むべきである（かかるポリマー結合剤は任意であるが）。ポリマー剤の使用は、マトリックスの特性を微調整し、それを異なる種類の研磨材粒子に適合させることを可能にする。ポリマー結合剤は好適には、ポリイミドであってもよく、又はポリイミドを含んでもよい。この理由は、ポリイミドが耐熱性であり、焼結中の高温に耐えることができるためである。ポリマー結合剤が使用される場合、ポリマー結合剤は、マトリックスの最大で５０容量％の量で存在してもよい（すなわち、ポリマー結合剤の量が、マトリックスの０容量％〜５０容量％の範囲である）。例えば、ポリマー結合剤は、マトリックスの１０容量％〜４０容量％又は１０容量％〜３０容量％であってもよい。
場合によっては、ポリマー結合剤は、何らかの他のポリマー材料によって形成され得る。例えば、それは、同様に高温に耐えることが可能であるポリアミド−イミドによって形成され得る。しかしながら、ポリイミドは、ポリアミド−イミドよりも良好な研削特性を有するため好ましい。
金属結合剤は好ましくは、銅、錫、及び銀を含む青銅合金である。銀は、金属結合剤の所望の特性を改善する。
研磨材粒子５は、ダイヤモンド粒子又は立方晶窒化ホウ素粒子のいずれかであってもよい。ダイヤモンドは、より硬質であり、より良好な研磨特性を有するが、立方晶窒化ホウ素は、より耐熱性である。更に、ダイヤモンドは、ある特定の材料と化学的に反応し得る。
研磨材粒子５は、ダイヤモンド粒子又は立方晶窒化ホウ素の粒子であってもよい。粒子は、４μｍ〜１８１μｍの範囲であってもよいが、この範囲の粒子は、各特定の場合における要件に応じて考慮され得る。多くの現実的な実施形態では、研磨材粒子５は、４６μｍ〜９１μｍの範囲の平均粒径を有してもよく、それは、多くの研削動作に好適である範囲である。
研磨材粒子５は任意に、銅又はニッケルのコーティングを有してもよい。銅又はニッケルのコーティングは、研磨材粒子５とマトリックス６との間の結合を改善することができる。しかしながら、粒子５の研磨特性は、粒子がかかるコーティングを有する場合、やや減少する。
マトリックス６中の結合剤及び充填剤に対する研磨材粒子５の相対的割合は、各場合の要件に応じて異なってもよい。多くの現実的な実施形態では、研磨材粒子の量は、研磨リムの全体積（すなわち、研磨材粒子及びマトリックスの全体積）の１０％〜５０％に相当してもよい。研磨材粒子の相対的割合が５０％よりも高い場合、マトリックスがもはや研磨材粒子を保持できなくなるという実質的な危険がある。研磨材粒子の相対的割合が１０％未満である場合、研削効果は小さくなりすぎる可能性がある。研磨材粒子の相対的割合は好ましくは、１５％〜３０％の範囲であり得、好適な値は２５％であり得る。
好ましくは、窒化ケイ素は、１０μｍ以下であるが０．１μｍ超である平均粒径を有する粒子の形状で存在する。例えば、それらは、１μｍ〜１０μｍ又は２μｍ〜９μｍの範囲の平均粒径を有してもよい。０．１μｍよりも小さい窒化ケイ素粒子は、窒化ケイ素粒子の詰まりを引き起こす可能性があり、それは、それらの補強効果を低減すると、本発明者らによって考えられている。
窒化ケイ素粒子は、α、β、及びγ相（三方晶系相、六方晶系相、及び立方晶系相としても既知である）として指定される、３つの異なる結晶構造を有してもよい。α及びβ相が最も一般的である。γ相は高圧及び高温下でのみ合成され得る。これらの相のいずれも使用され得る。好ましくは、使用される相はα相である。添加される窒化ケイ素粒子はまた、異なる相の粒子の混合物であってもよい。
図４を参照すると、本発明に従った研削工具が、標準的な研削工具と比較される。縦軸が電力消費を表す一方で、横軸は、個々の研削工具が作用した工作物の数を表す。図４中、Ｂ５が本発明に従った研削工具を表す一方で、ＥＺは、標準的な研削工具を表す。図４で見られるように、Ｂ５として表される工具は、最初に急激に上昇し、その後に実質的に一定のままである電力消費を有する。ＥＺによって表される従来の工具は、急激に上昇し、次いで、再び上昇する前に急に低下する電力消費を有する。これは、Ｂ５工具の研磨材粒子がゆっくりと断片化する一方で、ＥＺが、研磨材粒子が急に引き剥がされる研削工具を表すことを示す。したがって、工具の摩耗はより速くなる。
Ｂ５が金属結合剤及びポリマー結合剤の両方を有する工具を表すことが付け加えられ得る。金属結合剤は、銅、錫、及び銀を有する青銅である。それは、４５容量％の銅、４５容量％の錫、及び１０容量％の銀を含有する金属粉末を使用して焼結されている。Ｂ５に従った工具において、ポリマー結合剤は、結合剤の総量の１．０容量％を構成する。
図１の研削工具は、図５に示される断面図を有してもよい。かかる実施形態では、研磨リム４は、リム４が完全にコア２を包囲するように、コア２の外側で半径方向に配置される。図４、７、及び８を参照して説明される試験を、かかる研削工具に対して実施した。しかしながら、本発明は、かかる実施形態に限定されない。図６を参照すると、コア２が研磨リム４と少なくとも同じくらい半径方向に延在し得ることが理解される。図６中、研削工具は、半径方向にコア２を越えて延在しない研磨リム４を有する。代わりに、研磨リム４は、コア２とは異なる軸方向での伸長を有する（軸方向は、スピンドルによって駆動されるときの研削工具１の軸回転Ａである。図５及び６を参照されたい）。また、研削工具１は必ずしも回転のために設計されないことが理解されるべきである。代わりに、それは、往復運動で工作物に作用し得る。したがって、特許請求の範囲との関連で、用語「コア」は、研磨リムのための任意の種類の担持体として広く理解されるべきである。同様に、用語「リム」はまた、研磨材粒子が工作物に作用することができるように、コア２に固定される任意の種類の層として広く理解されるべきである。
本発明は更に、本発明の研削工具を作製する方法を含む。その方法は、焼結が、研磨材粒子５が埋め込まれたマトリックスをもたらすように、研磨材粒子を、銅及び錫を含む金属粉末と共に焼結する工程を含む。マトリックスは、焼結青銅合金である金属結合剤を含む。本発明に従って、焼結前に、窒化ケイ素が金属結合剤の０．１容量％〜５．０容量％を構成する程度まで、粉末の形態の窒化ケイ素が金属粉末に添加される。
使用される金属粉末は好ましくは、４４μｍよりも小さい粒子を有する金属粉末であるが、それらは好ましくは、窒化ケイ素粒子よりも大きくあるべきである。好ましくは、それらは少なくとも２倍大きくあるべきである。１５μｍ〜４４μｍの範囲の平均粒径が好ましくあり得る。
金属粉末はまた、任意に銀を含んでもよい。
金属粉末は、予合金化粒子の形状で、又は純銅、純錫、純銀等の粒子として生じてもよい。
マトリックス６の一部であるポリマー結合剤もまた形成されるように、焼結前に、好ましくはポリイミド粉末の形態でポリマーが金属粉末に添加されてもよい。
焼結方法は、マトリックス６の結合剤のための粉末材料が、研磨材粒子５と混合されるように実施されてもよい。混合物は、コールドプレスで圧縮される。その後、圧縮混合物は、１２０〜１５０分間にわたって、３８０℃〜５２０℃、好ましくは４００℃〜５００℃、又は４４０℃〜４６０℃の範囲の温度で、キルンで硬化される。必要とされる時間はサイズによって決まる。より大きいプレス型では、より多くの時間が必要とされる。その後（好ましくは直後）、圧縮及び硬化混合物は、プレス機に配置され、１５００〜２０００ｋｇ／ｃｍ２（１４７．１〜１９６．１ＭＰａ）の圧力に供される。次いで、圧力は、混合物が３００℃未満の温度に達するまで維持される。
例えば、本発明者らは、この方法に従って、キルン内の温度が４５０℃であるプロセスで研削工具を作製した。
研磨リム４はまた、放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）を用いて製造されてもよい。この技術によって、研磨リム４は、非常に高速で製造され得る。
研磨材粒子を含有するマトリックスを有するリムは、別個に焼結され、続いて、コア２上に固定（例えば、接着）されてもよい。あるいは、研磨リム５は、それが形成される際にコアに結合するように、コア２上で直接焼結されてもよい。焼結前に、コア２は、研磨リム４と接触するコアの少なくとも一表面上で、銅で電解めっきされてもよい。次いで、研磨リム４は、シームが形成されるように銅めっき表面上に焼結され得る。
任意に、焼結動作前に、充填剤材料が、金属粉末及び研磨材粒子５の混合物に添加されてもよい。すでに説明されたように、充填剤材料は、グラファイトを含んでもよい。他の考えられる充填剤材料としては、例えば、酸化アルミニウムの球が挙げられ得る。
好ましくは、金属結合剤中に使用される青銅は、銅−錫（Ｃｕ／Ｓｎ）、銅−錫−コバルト（Ｃｕ／Ｓｎ／Ｃｏ）、銅−錫−ニッケル（Ｃｕ／Ｓｎ／Ｎｉ）、又は銅−錫−銀（Ｃｕ／Ｓｎ／Ａｇ）を含む群から選択される。更により好ましくは、青銅は、銅−錫−銀の青銅である。他の青銅合金も考慮され得る。
本発明の研削工具は、硬質及び／又は脆性材料を機械加工するために使用され得る。これは、研削工具が他の材料のためにも使用され得る可能性を排除しない。
本発明の実施形態では、マトリックス６は任意に、セラミック粒子の形状で、少なくとも１つのセラミック成分も含むことができる。セラミック成分はまた、例えば、フリットされ、ＳｉＯ２を含有してもよい。マトリックスのためのセラミック粒子は、研磨材粒子の粒径に応じて５０μｍ〜５００μｍの粒径を有する球形粒子の形状でフリットされてもよい。より大きい研磨材粒子に対して、より大きいセラミック粒子が使用される。研磨材粒子は、セラミック粒子に埋め込まれ、一方で、セラミック粒子は、金属結合剤及びポリマー結合剤を有する混成物マトリックス埋め込まれる。セラミック粒子は、研磨材粒子が保持され得るよりも強力に、マトリックスによって保持され得る。したがって、研磨リムの快削特性は改善される。セラミック成分は、金属結合剤ほど良好な耐摩耗性を有さない。セラミック、金属、及びポリマー結合剤を組み合わせることによって、これらの結合剤の最良の特性を組み合わせることが可能である。

Claims (14)

  1. 硬質及び／又は脆性材料を機械加工するための研削工具（１）であって、前記研削工具（１）が、コア（２）と、研磨リム（４）とを備え、前記研磨リム（４）が、マトリックス（６）に埋め込まれた研磨材粒子（５）を含み、前記マトリックス（６）が、焼結青銅合金である金属結合剤を含み、前記金属結合剤が、前記マトリックスの５０％〜１００容量％を構成し、前記金属結合剤が、金属結合剤の０．０２容量％〜５．０％を構成する量で、窒化ケイ素を含有し、前記窒化ケイ素が、１０μｍ未満及び０．１μｍ超である平均粒径を有する粒子の形状で存在することを特徴とする、研削工具（１）。
  2. 前記マトリックス（６）が更に、前記ポリマー結合剤及び前記金属結合剤が接続網を形成するように、前記金属結合剤と共に焼結されたポリマー結合剤を含む、請求項１に記載の研削工具（１）。
  3. 前記窒化ケイ素が、前記金属結合剤の０．３容量％〜５．０容量％、好ましくは０．５容量％〜３容量％、及び更に好ましくは０．５％〜２容量％を構成する、請求項１又は２に記載の研削工具（１）。
  4. 前記ポリマー結合剤がポリイミドを含む、請求項２に記載の研削工具。
  5. 前記マトリックスが更に、グラファイト等の充填剤材料を含む、請求項１又は２に記載の研削工具。
  6. 前記金属結合剤が、銅、錫、及び銀を含む青銅合金である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の研削工具。
  7. 前記研磨材粒子（５）が、ダイヤモンド粒子又は立方晶窒化ホウ素粒子である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の研削工具。
  8. 前記研磨材粒子（５）が、４μｍ〜１８１μｍの範囲、及び好ましくは４６μｍ〜９１μｍの範囲の平均粒径を有する、請求項７に記載の研削工具。
  9. 前記研磨材粒子（５）が、銅又はニッケルのコーティングを有する、請求項８に記載の研削工具。
  10. 研削工具（１）を作製する方法であって、前記方法が、研磨材粒子を、銅及び錫を含む金属粉末と共に焼結する工程を含み、前記焼結がマトリックス（６）をもたらすようにし、前記研磨材粒子（６）が埋め込まれ、前記マトリックスが、焼結青銅合金である金属結合剤を含み、粉末の形態の窒化ケイ素が、焼結前に、かつ前記窒化ケイ素が前記金属結合剤の０．０２容量％〜５．０容量％を構成する程度まで、前記金属粉末に添加されることを特徴とし、添加される前記窒化ケイ素が、１０μｍ未満及び０．１μｍ超である平均粒径を有する粒子の形状である、方法。
  11. 前記金属粉末が更に銀を含む、請求項１０に記載の方法。
  12. ポリマーが、焼結前に、前記マトリックス（６）の一部であるポリマー結合剤もまた形成されるように、好ましくはポリイミド粉末の形態で、前記金属粉末に添加される、請求項１０又は１１に記載の方法。
  13. 前記方法が、前記マトリックス（６）の前記結合剤のための前記粉末材料を、前記研磨材粒子（５）と混合する工程と、コールドプレスに前記混合物を圧縮する工程と、１２０〜１５０分間、３８０℃〜５２０℃、好ましくは４００℃〜５００℃の範囲の温度でのキルンで、前記圧縮混合物を硬化する工程と、その後、前記圧縮及び硬化混合物をプレス機に配置し、それを１５００〜２０００ｋｇ／ｃｍ２（１４７．１〜１９６．１ＭＰａ）の圧力に供する工程と、前記混合物が３００℃未満の温度に達するまで圧力を保持する工程と、を含む、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記焼結動作の前に、充填剤材料が、金属粉末及び研磨材粒子（５）の前記混合物に添加され、前記充填剤材料がグラファイトを含む、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の方法。
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